Источники излучения

В современных ОЭП применяются в основном полупроводниковые источники излучения, работающие на р-п-переходах, и лазеры.

При относительно небольшой мощности лазера с его помощью могут быть получены очень высокие плотности энергии в очень малом объеме (10^-6….10^-7 см³), малом интервале времени (10^-8….10^-11 с), в очень узком спектральном диапазоне. Кроме того, для накачки лазера могут быть использованы разнообразные источники энергии. Все это делает лазер универсальным прибором для научных исследований, технологических процессов, измерительных приборов, в медицине, системах обработки и передачи информации.

Особое место занимают лазеры в системах связи. Лазерные системы связи по их назначению и условиям работы могут быть подразделены на четыре класса:

- наземные короткие линии связи с прохождением излу­чения в открытой атмосфере или в закрытых помещениях;

- световодные высокоинформативные системы связи;

- космические высокоинформативные ретрансляционные системы ближнего действия;

- дальние космические линии связи.

Преимущество лазерных систем связи перед другими, например СВЧ-линиями, состоит, во-первых, в острой направленности излучения, достигаемой с помощью сравнительно небольших «антенн», и, во-вторых, в широкополосности, которую можно в них обеспечить. Благодаря высокой направленности лазерного излучения мощность, необходимая для передачи одинаковых объемов информации, в оптическом диапазоне оказывается много меньшей, чем в СВЧ-диапазоне.

Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ), применяемые в волоконно-оптических системах, предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Последние должны быть введены в волокно с минимальными потерями. Производятся весьма разнообразные ПОМ, отличающиеся по конструкции, а также по типу источника излучения. Одни работают на телефонных скоростях с максимальным расстоянием до нескольких метров, другие передают сотни и даже тысячи мегабит в секунду на расстояния в несколько десятков километров.

Главным элементом ПОМ является источник излучения. Перечислим основные требования, которым должен удовлетворять источник излучения, применяемый в ВОЛС:

• излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности волокна. В традиционных оптических волокнах существует три окна, в которых достигаются меньшие , потери света при распространении: 850, 1300, 1550 нм;

• источник излучения должен выдерживать необходимую частоту модуляции для обеспечения передачи информации на требуемой скорости;

• источник излучения должен быть эффективным, в том смысле, что большая часть излучения источника попадала в волокно с минимальными потерями;

• источник излучения должен иметь достаточно большую мощность, чтобы сигнал можно было передавать на большие расстояния, но и не на столько, чтобы излучение приводило к нелинейным эффектам или могло повредить волокно или оптический приемник;

• температурные вариации не должны сказываться на функционировании источника излучения;

• стоимость производства источника излучения должна быть относительно невысокой.

Два основных типа источников излучения, удовлетворяющие перечисленным требованием, используются в настоящее время - светодиоды (LED) и полупроводниковые лазерные диоды (LD).

Главная отличительная черта между светодиодами и лазерными диодами - это ширина спектра излучения. Светоизлучающие диоды имеют широкий спектр излучения, в то время как лазерные диоды имеют значительно более узкий спектр, рис. 17. Оба типа устройств весьма компактны и хорошо сопрягаются со стандартными электронными цепями.

Даже при высоком внутреннем квантовом выходе внешний квантовый выход полупроводниковых излучателей оказывается значительно меньшим из-за поглощения фотонов в полупроводнике до выхода их в окружающее пространство и из-за потерь при полном внутреннем отражении фотонов, падающих на границу раздела полупроводника и окружающей атмосферы под углом превышающим критический угол полного внутреннего отражения , где n_r – коэффициент преломления полупроводника.

Обычно .

Таким образом, из полупроводникового излучателя, имеющего простейшую плоскую структуру (рис. 18 а), в окружающее пространство выходит только часть фотонов, возникших в выпрямляющем электрическом переходе или вблизи него. Внешний квантовый выход удается увеличить при использовании более сложных конструкций полупроводниковых излучателей со структурой в виде полусферического кристалла полупроводника (рис. 18 б) или плоской структуры с прозрачным полусферическим покрытием (рис. 18 в). В полупроводниковых излучателях с полусферической структурой для всей поверхности угол падения фотонов оказывается меньше критического угла полного внутреннего отражения при большом отношении радиусов R и r , т. е. при:

,

где n_r и n_rср – коэффициенты преломления электромагнитного излучения в полупроводнике и среде, окружающей полупроводниковый излучатель (n_rср=1 для воздуха).

Однако в полупроводниковых излучателях с полусферической структурой несколько возрастают потери фотонов в результате поглощения, так как увеличивается длина их пути от места возникновения до поверхности кристалла. Все полупроводниковые излучатели с полусферической структурой имеют внешний квантовый выход на порядок выше, чем у излучателей с плоской конструкцией.

Значительно проще технология изготовления полупроводниковых излучателей с прозрачным полусферическим (или параболическим) покрытием из различных пластических материалов с высоким коэффициентом преломления для увеличения критического угла полного внутреннего отражения в полупроводнике.

Основным методом формирования р-п-переходов и гетеропереходов при создании полупроводниковых излучателей на основе арсенида галлия GaAs, фосфида галлия GaP, твердых растворов этих соединений GaAsi-xPx и других соединений является метод эпитаксиального наращивания. Обычно это жидкофазная эпитаксия, иногда — эпитаксия из газовой фазы.

Для формирования р-п-переходов в карбиде кремния SiC используют метод диффузии примесей, а иногда и метод эпитаксиального наращивания. Одной из интересных особенностей карбида кремния является его политипизм, т.е. существование нескольких кристаллических модификаций, отличающихся, в частности, шириной запрещенной зоны. Высокая физико-химическая стабильность карбида кремния и относительно малые коэффициенты диффузии примесей в нем создают предпосылки для изготовления высокостабильных полупроводниковых излучателей на основе этого материала. Однако технология изготовления монокристаллов карбида кремния и технология формирования выпрямляющих электрических переходов в этих монокристаллах отличаются сложностью. Кроме того, в полупроводниковых излучателях из карбида кремния не удается получить высокий квантовый выход.

Большой интерес для изготовления полупроводниковых излучателей представляет нитрид галлия GaN, имеющий наибольшую ширину запрещенной зоны (DЭ =3,5 эВ) среди соединений типа А^IIIB^V, освоенных в технологическом отношении. Энергии фотонов, которые могут быть возбуждены в этом материале, перекрывают всю видимую область спектра. Однако независимо от метода получения и легирования нитрид галлия обладает только электропроводностью п-типа. Поэтому для получения излучения при рекомбинации неравновесных носителей заряда в данном случае надо создать выпрямляющий электрический переход в виде перехода Шотки на контакте металла с нитридом галлия.

Сопоставление эффективности люминесценции различных материалов показывает, что квантовый выход растет с увеличением длины волны. Поэтому, если зрительное восприятие информации не является обязательным, предпочтение следует отдать инфракрасным излучательным диодам на основе арсенида галлия.

Полупроводниковые приборы отображения информации в зависимости от структуры, конструкции и, конечно, назначения могут быть разделены на светоизлучающне диоды, полупроводниковые знаковые индикаторы, шкалы и экраны.

Светоизлучающнй диод (СИД) — это полупроводниковый прибор отображения информации, представляющий собой диод.

Таким образом, в структуре светоизлучающего диода есть только один выпрямляющий электрический переход (рис.7.3) или один полупроводниковый излучающий элемент.

Полупроводниковый излучающий элемент – часть полупроводникового прибора отображения информации, состоящая из излучающей поверхности и контактов для подключения к электрической схеме.

Полупроводниковый знаковый индикатор - это полупроводниковый прибор отображения информации, состоящий из полупроводниковых излучающих элементов, предназначенный для представления информации в виде знаков и организованный в один или несколько разрядов.

Структура этого знакового индикатора состоит из семи излучающих элементов и децимальной точки, т. е. восьми р-п-переходов в одном монокристалле полупроводника, излучающих свет при прохождении тока в прямом направлении. Различные комбинации излучающих элементов, обеспечиваемые внешней коммутацией, позволяют воспроизвести цифры от 0 до 9 и децимальную точку.

Полупроводниковая шкала — это полупроводниковый прибор отображения информации, состоящий из полупроводниковых излучающих элементов, предназначенный для представления аналоговой информации.

Структура полупроводниковой шкалы может представлять собой либо несколько светоизлучающих диодов, расположенных вдоль одной линии, либо несколько р-п-переходов, также расположенных по одной линии на общей подложке. Полупроводниковые шкалы могут быть использованы в качестве индикаторов настройки транзисторных приемников, для записи аналоговой информации на фотопленку, в качестве шкалы различных измерительных приборов и для других целей.

Полупроводниковый экран — это полупроводниковый прибор отображения информации, состоящий из излучающих элементов, расположенных вдоль одной линии, и содержащий п строк излучающих элементов, предназначенный для использования в устройствах отображения аналоговой и цифровой информации.

Примером полупроводникового экрана могут служить полупроводниковые приборы отображения информации. Они состоят из 36 дискретных светоизлучающих диодов, соединенных в матрицу (семь строк по пять диодов и один диод отдельно) с перекрестной коммутацией и позволяющих воспроизводить цифры и буквы.